Materialforschung mit Positronen: Von der Doppler-Spektroskopie zur

onszonen ist auch in anderen Bereichen der Materialforschung von Bedeutung. So stellt sich
bei der spanenden Bearbeitung die Frage nach der Qualität der neuen Oberfläche nach dem
Zerspanvorgang. Die Auswirkung der Bearbeitungsparameter Schnittiefe und Schnittgeschwindigkeit
wurde an einer Reihe von Zerspanungsproben aus einem Karbonstahl untersucht.
Dazu wurden die Verformungszonen in Span und Spanwurzel nach dem abrupt unterbrochenen
Scheidvorgang mit der BPM bildgebend abgerastert. Aus einer solchen Abbildung
können die relevanten Daten, wie z.B. die Tiefe der plastischen Deformation unter der neuen
Oberfläche entnommen werden.
Identifikation von frühen Ausscheidungen in Al-Legierungen
Technisch nutzbare Aluminiumlegierungen erhalten ihre Härte über feinverteilte Ausscheidungen
in der Größenordung von wenigen bis zu einigen zehn Nanometern, die die Versetzungsbewegung
effektiv behindern. Eine weitverbreitete Gruppe dieser Werkstoffe sind die
Al-Cu-Mg Legierungen, die unter anderem im Flugzeugbau eingesetzt werden. Metallurgisch
werden Al-Cu-Mg Legierungen durch Lösungsglühen, Abschrecken und Auslagern hergestellt,
wobei die Legierungselemente direkt nach dem Abschrecken in einer übersättigten Lösung
vorliegen. Über eine schnelle, durch atomare Leerstellen vermittelte Diffusion lagern sie
sich zuerst zu Agglomeraten und später zu nanoskaligen Ausscheidungen, den Guinier-
Preston-Bagaryatskii-Zonen (GPBZ), zusammen. Obwohl die GPBZ gut erforscht sind, ist
über die frühen Agglomerate wenig bekannt. Durch ihre Elementselektivität ist die Doppler-
Spektroskopie gut geeignet, diese Strukturen aufzuklären. Bei der in-situ Untersuchung einer
Ausscheidungssequenz in der Al-Cu-Mg Legierung AA2024 konnte ein unterschiedliches
Zeitverhalten für Magnesium und Kupfer festgestellt werden, wodurch klar wurde, daß Mg
nicht die Rolle eines Leerstellenfängers einnimmt, wie bisher vermutet wurde.
Zur Aufklärung der Struktur früher Agglomerate reicht die Positronenspektroskopie allein
nicht aus. Um aus der Vielzahl denkbarer Konfigurationen die zu bestimmen, die in der Natur
realisiert werden, sind theoretische Überlegungen nötig. Mit Elektronenstruktur-Rechnungen
können die relaxierten Gitterpositionen einer Testkonfiguration bestimmt werden. Aus diesen
Daten werden die Annihilationsparameter, d.h. die spezifische Lebensdauer und die Doppler-
Kurve, berechnet, die dann mit den experimentellen Daten verglichen werden. Auf diese Weise
lassen sich Konfigurationen ausschließen, die dem Experiment widersprechen. In einigen
Fällen kann zwischen den übriggebliebenen Kandidaten nicht eindeutig entschieden werden,
so daß komplementäre Methoden, wie die Röntgen-Absorptions-Spektroskopie (XAFS), herangezogen
werden müssen. Durch den Vergleich von PAS- und XAFS-Daten mit gerechneten
Konfigurationen konnte die frühe Ausscheidung in AA2024 als eine der S-Phase
(Al 2 MgCu) ähnliche Struktur identifiziert werden.
Ortsaufgelöster Wasserstoffnachweis in der Rißspitze
Bei der Rißbildung und beim Rißfortschritt in wechselbelasteten Bauteilen spielt außer den
mechanischen Einflüssen auch die Korrosion eine große Rolle. Das bekannte Phänomen der
Wasserstoffversprödung kann zum Teil katastrophale Auswirkungen auf die Betriebsfestigkeit
von Werkstoffen haben. So wurde bei der Al-Mg-Si-Cu Legierung AA6013, die als
schweißbare Al-Legierung seit einiger Zeit im Flugzeugbau Anwendung findet, ein bis zu
viermal schnelleres Rißwachstum unter korrosiven Bedingungen festgestellt. Bei der Untersuchung
plastischer Zonen in AA6013 mit der BPM konnte nachgewiesen werden, daß während
der Ermüdung in die Rißspitze eindiffundierter Wasserstoff die Diffusion von Leerstellen bei
Raumtemperatur behindert, und so ein dynamisches Ausheilen von Defekten unterdrückt.
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